基于強化磁記憶的鐵磁構件應力檢測方法研究

邱忠超 于瑞紅 陳遜 謝維 石亞男

摘要：磁記憶檢測方法可快速檢測鐵磁構件應力集中區域，對其早期損傷進行及時診斷。針對磁記憶信號為地磁場激勵條件下的弱磁信號，容易受周圍環境噪聲干擾的問題，提出采用加強外磁場激勵來強化有用磁記憶信號，抑制干擾因素的不利影響。實驗結果表明，該方法可以有效突出磁信號，提高檢測系統的靈敏度，為磁記憶檢測技術的工程推廣應用奠定了一定基礎。

關鍵詞：強化磁記憶;鐵磁構件;早期損傷;靈敏度

0? ? 引言

1997年，在美國舊金山舉行的第50屆國際焊接學術會議上，俄羅斯學者Doubov首次提出金屬應力集中區的磁記憶效應，并形成一套無損檢測與診斷方法——金屬磁記憶檢測技術[1]。磁記憶效應是指鐵磁構件在使用過程中受地磁場和載荷的共同作用，由于鐵磁材料內部應力分布的不均勻使材料表面磁場發生變化，導致泄漏磁場產生[2]。但是，磁記憶檢測技術在實際工程推廣應用時遇到了一些難以解決的瓶頸問題，如磁記憶檢測屬于地球弱磁場檢測方法，輸出磁信號比較微弱，易受外界環境因素干擾，導致檢測結果失真[3-4]。

針對磁記憶信號為地磁場激勵條件下的弱磁信號，容易受周圍環境噪聲干擾的問題，提出采用加強外磁場激勵來強化有用磁記憶信號，抑制干擾因素的不利影響。本文通過搭建磁記憶檢測系統對提出的強化磁記憶檢測方法進行驗證。

1? ? 強化磁記憶檢測實驗

以Q235鋼平板試件作為研究對象，試件厚度為4 mm，如圖1所示。在鐵磁試件表面用黑色筆畫一條直線，每間隔5 mm標記一個點，共21個檢測點。將試件設計成中部沿軸線逐漸變化的圓弧狀形式，這樣可以使得每個檢測點都產生不同的應力。為了盡可能減小剩磁，通過TC-50退磁器對試件提前進行退磁處理。

圖2為實驗室已搭建的磁記憶檢測系統框圖，在地磁場與外加弱磁場激勵下對鐵磁試件進行靜拉伸實驗，同時采用TSC-1M-4磁檢測儀沿試件自上而下在位采集試件表面各點處的法向磁場。

為了使勵磁裝置與鐵磁試件在拉伸過程中始終保持緊密貼合，將勵磁裝置設計成可滑動結構。對勵磁線圈通電流，從而在鐵磁試件中產生弱激勵磁場。實驗時，對勵磁線圈通0.01 A電流，結合線圈匝數可知，鐵磁試件仍處于弱磁激勵狀態。

2? ? 實驗結果與分析

將每一個試件重復檢測三次，取其平均值進行分析。以未施加載荷時在位測量的磁場為Hp0（y）基準，則拉伸載荷造成的磁場變化ΔHpi（y）=Hpi（y）-Hp0（y），其中，Hpi（y）為施加載荷時磁檢測儀采集到的磁信號，結果如圖3所示。

由圖3可知，地磁場激勵條件下磁信號Hp（y）變化幅度比較大，磁信號過零點位置跨度較大，難以判斷鐵磁試件的應力集中區域。當通過勵磁裝置施加外部激勵磁場時，磁信號Hp（y）增加且規律性明顯，磁信號過零點位置集中在-2～2 mm，與鐵磁試件應力集中位置吻合較好。

由此可知，地磁場環境下，由于鐵磁試件磁記憶檢測屬于在位檢測，拉伸機與夾具產生的磁場都會對磁記憶信號產生干擾，使得傳感器采集到的信號雜亂無章。通過施加外磁場激勵，可以使得有用磁信號得以突出，而噪聲干擾沒有變化，進而改善檢測效果。

3? ? 結語

針對磁記憶信號為地磁場激勵條件下的弱磁信號，容易受周圍環境噪聲干擾的問題，提出采用加強外磁場激勵來強化有用磁記憶信號，抑制干擾因素的不利影響。對鐵磁試件進行靜拉伸實驗，并分別在地磁場和弱磁場激勵環境下采集鐵磁試件表面的磁信號。結果表明，該方法可以有效突出磁信號，提高檢測系統的靈敏度，為磁記憶檢測技術的工程推廣應用奠定了一定基礎。

[參考文獻]

[1] DUBOV A A.A study of metal properties using the method of magnetic memory[J].Metal Science & Heat Treatment，1997，39（9）：401-405.

[2] 張軍，朱晟楨，畢貞法，等.基于金屬磁記憶效應的高鐵輪對早期故障檢測[J].儀器儀表學報，2018，39（1）：162-170.

[3] ROSKOSZ M，BIENIEK M.Evaluation of residual stress in ferromagnetic steels based on residual magnetic field measurements[J].NDT & E International，2012，45（1）：55-62.

[4] 張衛民，邱忠超，于霞，等.利用強化磁激勵場提高磁記憶檢測靈敏度的可行性分析[J].中國機械工程，2015，26（24）：3375-3378.

收稿日期：2019-12-27

作者簡介：邱忠超（1987—），男，山東濟寧人，博士，講師，研究方向：電磁無損檢測、災害監測技術與儀器。